Оптимизация структуры агроэкосистем

Оптимизация структуры агроэкосистем. Конец ХХ века ознаменовался глобальным экологическим кризисом в биосфере. Наряду с промышленностью и атомной энергетикой, в чашу экологических проблем внес свой вклад и кризис в сельском хозяйстве (Карпачевский, 1987; Одум, 1987; Реймерс, 1987; Жученко, 1988; Кант, 1988; Букштынов, 1989; Яблоков, 1990; Розанов, Розанов, 1990; Миркин и др 1991; Небел, 1993; Миркин, Хазиахметов, 1995). Экологическая несостоятельность интенсивных технологий явилась предпосылкой для зарождения агроэкологии.

Из имеющейся литературы по этой теме можно выделить 4 основных блока экологических проблем: деградация агроресурсов, экологический дисбаланс функциональных связей в агроэкосистемах, энергетический кризис и ухудшение качества сельскохозяйственной продукции. В лексикон экологии недавно вошли еще два термина, обозначающие понятия, которые имеют особую важность для разработки программы выживания человечества на планете.

Это понятия "продовольственная безопасность" - (F.S.) food security (Braun, 1994) и “емкость выживания” - (C. C.) carrying capacity, буквально - емкость поддержания (Postel, 1994). Оба понятия входят в число параметров общества устойчивого развития, в котором гармонично сочетаются интересы ныне живущих поколений с интересами тех, кому предстоит жить в будущем на той же территории. F.S это система, обеспечивающая производство продуктов питания отдельной страны или всего мирового сообщества в целом, количество которых достаточно для того, чтобы не возникало проблемы голода, а C.C предельно допустимая численность народонаселения (опять-таки на территории отдельно взятой страны или всей планеты в целом), которая соответствует экологическим нормативам рационального природопользования и охраны природы.

Деградация агроресурсов. Агросфера сегодня занимает около 1/3 площади суши, в том числе около 10% агросферы занято под пашней, остальное - пастбища (Одум, 1986). В сельскохозяйственное использование вовлечена часть лесов, где пасется скот или производится заготовка кормов (Миркин, 1991). Динамика земельных ресурсов мира (в млн. га)Категория Год земель 1966 1980 1989 Пахотные земли 1381 1452 1473 Пастбища 1122 3117 3110 Леса и кустарники 4236 4093 4053 Прочие земли 4340 4417 4443 Табл. 1 Общий расклад современного использования суши По этим данным легко прослеживается динамика соотношения земельных ресурсов мира. Можно видеть, что скорость приращения площади пашни за последнее время резко сократилась, поскольку дальнейшее освоение целины уже невозможно.

Резко возросшие площади пастбищ с 80-х годов начинают убывать за счет перевода их в пашню.

Использование земельных угодий человеком всегда сопровождалось потерей продуктивных земель. По данным Б.Г. Розанова и др. (1989), за последние десять тысяч лет было потеряно 2000 млн. га (в среднем 0.2 млн. га в год). На последние 300 лет приходится потеря 700 млн. га (2.3 млн. га в год). За последние 50 лет выпали из использования 300 млн. га (6 млн. га в год). Таким образом, за период существования земледелия скорость потери возросла в 50 раз. Темпы потерь плодородных земель представлены на рис 1. Почвы являются центральным элементом агроэкосистем, и "отрицательная энергия" от антиэкологических энергетических субсидий действует, в первую очередь, именно на этот компонент. В большом числе как отечественных, так и зарубежных работ эрозия почв рассматривается как самый опасный результат сельскохозяйственного производства (Заславский, 1987; Карпачевский, 1987; Кузнецов, 1989; Котлярова, 1990; Толчельников, 1990). На территории бывшего СССР было эродировано уже 68% пахотных почв (Никонов, 1986), причем ежегодно эрозия уносит сегодня 3.6 млн. га. По данным В.Г. Минеева (1988), недобор урожая на слабосмытых почвах составляет 10-20%, на среднесмытых - 30-50%, а на сильносмытых - 60-80% от урожая с неэродированных земель.

В Республике Башкортостан количество эродированных земель составляет 48% от общей площади сельскохозяйственных угодий.

Пахотный фонд республики эродирован на 60% площади (Комплексная программа 1990). Деградация сельскохозяйственных ресурсов происходит и в результате накопления тяжелых металлов, пестицидов и других токсических веществ.

С каждой тонной вносимого в почву фосфора попадает 160 кг фтора, который содержиться в фосфорных удобрениях, как примесь.

Сырье для производства фосфорных удобрений содержит до 2 % стронция и кадмия (Минеев, 1988). Д. К. Коулман и др. (1987) приводит данные о том, как влияют интенсивные системы обработки почвы на баланс минеральных элементов в почве. Интенсивная агротехника и увеличение доли пашни влечет за собой понижение содержания органического углерода и азота в почвах (табл. 2) (Коулман и др 1987; Кант, 1988). Таблица 2. Сравнительное содержание органического углерода и азота в почвах северной части великих равнин (США) под пастбищем, под пашней со стерневой мульчей и под чистым паром. (Коулман, 1987) Механический состав почвы Пастбище Севооборот пшеница - пар при минимальной обработке почвы Севообороты пшеница - пар при интенсивной обработке почвы Легкий 6684/785* 6017/757 4397/594 Средний 9218/1039 6574/816 6850/802 Тяжелый 9833/1102 9551/1067 8844/1015 * В числителе - углерод, в знаменателе - азот, г/см2 в слое почвы 45,7 см III. Источники химического загрязнения агроэкосистем В процессе своей хозяйственной деятельности человек производит различные вещества.

Все производимые вещества с использованием как возобновимых, так и невозобновимых ресурсов можно разделить на четыре типа: исходные вещества (сырье); промежуточные вещества (возникающие или используемые в процессе производства); конечный продукт; побочный продукт (отход). Отходы возникают на всех стадиях получения конечного продукта, а любой конечный продукт после потребления или использования становится отходам, поэтому конечный продукт можно назвать отложенным отходом.

Все отходы попадают в окружающую среду и включаются в биогеохимический круговорот веществ в биосфере. Многие химические продукты включаются человеком в биогеохимический круговорот в масштабах на много превышающих естественный круговорот.

Некоторые вещества, направляемые человеком в окружающую среду, раньше отсутствовали в биосфере (например, хлорфторуглероды, плутоний, пластмассы и др.), поэтому естественные процессы достаточно долго не справляются с этими веществами.

Следствием является огромный вред наносимый организмам. Исследованием влияния антропогенных химических веществ на биологические объекты окружающей среды занимается экотоксикология. Задачей экотоксикологии является изучение воздействия химических факторов на виды, живые сообщества, абиотические составляющие экосистем и на их функции. Под вредным воздействием, наносимым соответствующей системе, в экотоксикологии понимают: явственные изменения обычных колебаний численности популяции; долгосрочные или необратимые изменения состояния экосистемы.

Под действием химических веществ изменяются следующие параметры экосистемы: плотность популяции; доминантная структура; видовое разнообразие; изобилие биомассы; пространственное распределение организмов; репродуктивные функции. 3.1 Ухудшение качества сельскохозяйственной продукции. Интенсивное сельское хозяйство требует использования большого количества минеральных удобрений и гербицидов.

Минеральные удобрения кроме необходимых для растений веществ содержат большое количество побочных веществ: тяжелых металлов, различных органических и неорганических концерогенов, которые накапливаются в культурных растениях. Особенно богаты “ядовитой приправой” фосфорные удобрения, содержание кадмия в двойном суперфосфате доходит до 3,5 мг/кг. Этот аспект обсуждается в работах (Агаев и др, 1989; Жукова, 1989). Проблема накопления нитратов в овощных культурах рассмативается в работе чешских ученых Пругар и Пругарова (1990), в которой приводятся данные о способности к накоплению нитратов у разных культур при разных дозах применения азотных удобрений.

В условиях непрекращающегося аэротехногенного загрязнения выявлено повышение затрат вещества и энергии на адаптивные перестройки в отдельных компонентах и в целом в агроэкосистеме, что сопровождается изменениями в структуре и функциях. Формирование обменных процессов изменяется таким образом, что поддержание экологического равновесия происходит за счет более интенсивного расходования как внутренних, так и внешних ресурсов. Рассматривается влияние характера и уровня (ПДК) загрязнения разных типов почв на режим функционирования и состояние агроэкосистемы, которая исследуется как иерархически организованная система почва-микроорганизмы - растения - атмосфера.

Отклик на загрязнение формируется благодаря взаимосвязанным реакциям в агроэкосистеме, способствующим изменениям в биогеохимических циклах. Режим функционирования агроэкосистем оценивали путем выявления зависимостей, интегрированных потоками в азотных циклах, количественные параметры которых определяли в полевых опытах с применением изотопа 15N. Для оценки уровней воздействия аэротехногенного загрязнения в агроэкосистемах с посевом яровой пшеницы на разных типах почв использовали ранее разработанную шкалу экологического нормирования ( Помазкина и др 1999). Выявлено, что на аллювиальной почве уровень воздействия на агроэкосистемы "критический". В агроэкосистемах на серых лесных почвах оно соответствует уровню "предельно допустимый", причем как на почвах загрязняемых тяжелыми металлами (допустимый уровень суммарного загрязнения ), так и на почвах загрязняемых водорастворимыми фторидами (3 и 6 ПДК). На дерново-луговой почве уровень воздействия на агроэкосистемы оценивается как "допустимый", что обусловлено их устойчивостью.

Таким образом, несмотря на отличия почв по характеру и уровню загрязнения, экологическая нагрузка на агроэкосистемы зависит от свойств почв и их буферной способности по отношению к загрязнению.

Формирование устойчивости в агроэкосистеме прежде всего связано с типом почвы. 3.2. Воздействия на отдельные особи и популяции Любое воздействие начинается с токсического порога, ниже которого не обнаруживается влияние вещества (NOEC - концентрация, ниже, которой не наблюдается воздействие). Ему отвечает понятие экспериментально определяемого порога концентрации (LOEC - минимальная концентрация, при которой наблюдается влияние вещества). Применяется также третий параметр: MATC - максимально допустимая концентрация вредного вещества (в России принят термин ПДК - “предельно допустимая концентрация”). ПДК находят расчетом, и ее значение должно находиться между NOEC и LOEC. Определение этой величины облегчает оценку риска воздействия соответствующих веществ на чувствительные к ним организмы (1 стр. 188). Химические вещества в зависимости от свойств и строения воздействуют на организмы по-разному.

Молекулярно-биологические воздействия.

Многие химические вещества взаимодействуют с ферментами организма, изменяя их структуру.

Так как ферменты катализируют тысячи химических реакций, становится понятным, почему любое изменение их структуры глубоко влияет на их специфичность и регуляторные свойства. Пример: цианиды блокируют фермент дыхания - цитохром-с-оксидазу; катионы Са2+ тормозят активность рибофлавинкитазы, которая является переносчиком фосфата на рибофлавин в клетках животных.

Нарушения обмена веществ и регуляторных процессов в клетке. Метаболизм клеток может быть нарушен под действием химических веществ. Реагируя с гормонами и другими регуляторными системами, химические вещества вызывают неконтролируемые превращения, изменяют генетический код. Пример: нарушение реакций окислительного расщепления углеводов, вызываемое токсичными металлами, особенно соединениями меди и мышьяка; пентахлорфенол (ПХФ), триэтилсвинец, триэтилцинк и 2,4-динитрофенол разрывают цепь химических процессов дыхания на стадии реакции окислительного фосфорилирования; лидан, соединения кобальта и селена нарушают процесс расщепления жирных кислот; Хлорорганические пестициды и полихлорированные бифенилы (ПХБФ) вызывают нарушения работы щитовидной железы. 3.Мутагенное и канцерогенное воздействие.

Такие вещества как ДДТ, ПХБФ и полиароматические углеводороды (ПАУ) потенциально обладают мутагенным и канцерогенным воздействием. Их опасное воздействие на человека и животных проявляется в результате длительного контакта с этими веществами, содержащимися в воздухе и пищевых продуктах.

По данным, полученным на основе экспериментов с животными, канцерогенное действие осуществляется в результате двухступенчатого механизма. 4. Воздействие на поведение организмов Инициаторы Промоторы Химические соединения Биологические свойства Химические соединения Биологические свойства ПАУ (поликонденсированные ароматические углеводороды), нитрозоамины Канцерогенный Кротоновое масло Сам по себе не канцерогенный N-нитрозо-N-нитро-N-метилгуанидин Эксопозиция перед воздействием промотора Фенобарбитал Действие проявляется после появления инициатора Диметил-нитрозамин Диэтил-нитрозамин Достаточно однократного введения ДДТ, ПХБФ, ТХДД (тетрахлордибензодиоксин) Необходимо длительное воздействие N-нитрозо-N-метилмочевина Влияние необратимо и аддитивно Хлороформ Вначале действие обратимо и не аддитивно Уретан Не существует пороговой концентрации Сахарин (под вопросом) Пороговая концентрация, вероятно зависит от времени воздействия дозы 1,2-Диметилгидразин Мутагенное действие Цикламат Мутагенное действие отсутствует Табл. 3. Примеры инициаторов и промоторов канцерогенеза Время Введение вещества Порог воздействия немедленно - несколько суток Нарушения поведения (неврологические и эндокринные, химотаксис, фотогеотаксис, равновесие / ориентировка, бегство, мотивация / способность к обучению) Биохимические реакции (ферментная и метаболическая активность, синтез аминокислот и стероидных гормонов, мембранные изменения, мутации ДНК) Изменения Физиологические (потребление кислорода, осмотическая и ионная регуляция, переваривание и экскреция пищи, фотосинтез, фиксация азота) Морфологические (изменения клеток и тканей, образование опухолей, анатомические изменения) часы - недели сутки - месяцы Изменение индивидуального жизненного цикла (эмбриональное развитие, скорость роста, репродукция, способность к регенерации) месяцы - годы Популяционные изменения (снижение числа особей, изменения возрастной структуры, изменение генетического материала) месяцы - десятилетия Экологические последствия (динамические изменения биоценозов / экосистем, их структуры и функции) Табл. 4. Воздействия на биологические системы по мере их усложнения Инициаторы в процессе взаимодействия с ДНК вызывают необратимые соматические мутации, причем достаточно очень малой дозы инициатора, предполагают, что для этого воздействия не существует пороговых значений концентрации, ниже которых оно не проявляется.

Промоторы усиливают действие инициатора, а их собственное воздействие на организм в течение некоторого времени является обратимым.

Аддитивное воздействие - суммирование (сложение) отдельных воздействий. Нарушение поведения организмов является следствием суммарного воздействия на биологические и физиологические процессы.

Пример: Было установлено, что для явного изменения поведения, обусловленного воздействием химических препаратов, достаточно значительно меньших концентраций, чем ЛД50 (летальная доза при смертности 50 %). Разные организмы обладают различной чувствительностью к химическим веществам, поэтому время проявления тех или иных действий химических веществ для различных биосистем различно.

IV. Экологический дисбаланс функциональных связей в агроэкосистемах.

Увеличивается доля человека и домашних животных в биосфере.

Если в 1886 году она составила 5% всей биомассы животных, то сейчас уже 20%, согласно прогнозам, к 2000 году этот показатель может возрасти до 40% (Олдак,1990). А.В. Яблоков (1990) проанализировал практику использования пестицидов в сельском хозяйстве. По его мнению, человек уже проиграл битву с насекомыми-вредителями, которые приспосабливаются к инсектицидам быстрее, чем изобретаются и выпускаются препараты.

Под воздействием пестицидов погибают и “враги наших врагов”. Это приводит к экологическому дисбалансу в звене насекомое - энтомофаг, что служит причиной возникновения вторичных вспышек уцелевших, устойчивых к пестицидам популяций вредителей. Дальнейшее наращивание доз ведет к бесконечной гонке по замкнутому кругу (Небел, 1993). Немногим лучше обстоит дело и с сорными растениями, в популяциях которых сравнительно недавно обнаружились экотипы, устойчивые к гербицидам.

В итоге, видов-засорителей стало меньше, но экземпляров засорителей больше. Примерно также обстоит дело с использованием фунгицидов. На рис. 3 можно видеть количественную динамику применения химикатов за последние годы. Примечательно, что применение гербицидов растет быстрее по сравнению с инсектицидами, что отражает большую эффективность их использования и появление целого ряда малотоксичных и быстроразлагающихся в почве гербицидов, заменяющих агротехнические приемы при минимальной обработке почвы.

После осознания бессмысленности дальнейшего наращивания применения химических средств борьбы с насекомыми резко упала роль инсектицидов. Несколько иначе обстоят дела с объемами применения пестицидов в нашей республике.

Как видно из рис. 4, за последние годы прослеживается резкое падение объемов применения ядохимикатов. Однако это не результат целенаправленной экологизации сельского хозяйства в РБ. Причина падения в настоящее время - отсутствие денег у сельхозпроизводителей на покупку нужного количества химикатов. Усиливает разбалансированность экосистем превышение экологических нормативов распаханности территории и пастбищных нагрузок (Миркин и др, 1995). Дисбаланс минеральных элементов в результате разрыва круговорота органики - общий недостаток всех узкоспециализированных (растениеводческих или животноводческих) агроэкосистем.

Причина тому - чрезмерное наращивание одного трофического компонента и снижение участия других или даже их полное отсутствие (как в примере с чисто растениеводческими хозяйствами, где отсутствуют сельскохозяйственные животные). Г. Кант (1988) приводит данные о балансе минеральных элементов в почве в зависимости от комплексности (наличия животноводства и растениеводства) агроэкосистемы.

В этой же работе приводятся рекомендации по замене навоза сидератами, что позволяет создать “эффект присутствия сельскохозяйственных животных” в чисто растениеводческой агроэкосистеме. На основании полученных данных Кант пишет, что самый благоприятный баланс гумуса в почве получается в комплексных агроэкосистемах, где мелкие животноводческие фермы равномерно распределены по всей площади экосистемы. В хозяйствах с преобладанием растениеводства необходимо использовать завозные корма, что позволит компенсировать потерю минеральных элементов, выносимых зерновыми культурами.

Энергетический кризис. Несмотря на усугубление экологических проблем в биосфере, продолжается рост энергопотребления в сельском хозяйстве, что не сопровождается повышением производства зерна (Braun, 1994). Это говорит о том, что естественные производственные емкости агроэкосистем исчерпаны. Впрочем, как показывает мировой опыт интенсификации сельского хозяйства, и до начала стагнации урожайности, огромные затраты энергии на агроэкосистемы сопровождались только небольшим увеличением выхода продукции.

С 1910 года в США затраты на сельскохозяйственное производство возросли в 10 раз, что дало эффект только 2-хкратного увеличения урожая. В Англии за последние 10 лет количество вносимых удобрений увеличилось в 8 раз, тогда как урожай возрос только на 50% (Ecological 1974). В целом на сегодняшний день не более 40% пашни мира используется по интенсивному типу с большими вложениями энергии (Одум, 1986). Средние мировые урожаи основных культур далеко не рекордные и весьма велика разница в урожае, получаемом в экономически развитых странах с высокой энерговооруженностью сельского хозяйства и при экстенсивном типе хозяйствования.

Причем, как подчеркивает А. А. Жученко (1988), если бы все пахотные земли мира были переведены в режим интенсивного использования с высокими антропогенными субсидиями, то мы бы "проели" 95% добываемой энергии.

Как видно из таблицы 3, продолжается рост потребления минеральных удобрений, производство которых требует огромных затрат энергии. Обнадеживает лишь то, что за последние годы наблюдается стабилизация роста использования удобрений. Таблица 5. Среднее потребление минеральных удобрений на 1 га пашни в разных странах (в пересчете на 100% питательных веществ, кг) (По данным Госкомстата СССР, 1989) Страны Годы 1980 1985 1986 1987 1988 СНГ (СССР) 84 113 118 122 122 Польша 246 223 233 245 224 США 113 106 103 106 - ФРГ 480 426 427 427 - Нидерланды 844 806 772 783 - Япония 429 391 382 387 - Канада 44 55 54 51 - Г. Кант (1988) приводит данные о энергетических затратах на фермах ФРГ (рис. 5). Основным потребителем энергии являются производство азотных удобрений (43% от общих энергозатрат на сельскохозяйственное производство) и горючее (29 % от общих энергозатрат). Максимальную экономию энергии могли бы обеспечить: 1) биологическое связывание азота вместо химико-технического; 2) минимизация технико-механической обработки почвы; 3) активное биологическое рыхление; 4) сокращение расходов на пестициды и транспорт (Кант, 1988). V. Оценка состояния агроэкосистем России в отношении загрязняющих веществ От состояния агроэкосистем зависит количество и качество продуктов питания.

Возможность их загрязнения связана с применением в земледелии средств химизации и техногенным воздействием.

Локальное техногенное загрязнение - наиболее мощный фактор деградации почв, но почвы пахотных угодий чаще всего не подпадают под его воздействие.

Техногенное загрязнение на региональном уровне охватывает больше площадей пахотных почв. но уровень их загрязнения, как правило, не высок. В минеральных удобрениях загрязняющие вещества присутствуют в качестве примесей. Наиболее загрязнены фосфорные удобрения. Апатитовые месторождения, составляющие в России основную часть фосфатного сырья, часто имеют повышенное содержание фтора и стронция, иногда кадмия. Содержание их, как правило, ниже, чем в зарубежных фосфоритах и апатитах (Северная Африка, Сирия, США и др.). Сопоставление содержания фтора и стронция в фосфорных удобрениях с природным содержанием их в верхних горизонтах почв показывает, что загрязнение почв за счет этого фактора может иметь место.

Широким варьированием отличается содержание металлов в составе традиционных органических удобрений (навоз, торф). Применение нетрадиционных удобрений (ОСВ, сапропель, отходы) так же может представлять серьезную опасность для агроэкосистемы.

Но для подавляющего большинства неорганических поллютантов удобрения не являются существенным источником их поступления в агроэкосистему. Однако при применении фосфорных удобрений, особенно простого суперфосфата из апатитового концентрата, необходимо контролировать содержание стронция и фтора в почвах и растениеводческой продукции. Успешное решение задач, стоящих перед сельским хозяйством страны, полное обеспечение населения экологически чистыми продук тами питания, возможно лишь на основе дифференцированного подхода к дальнейшей интенсификации сельскохозяйственного производства.

Необходимым условием при этом является разработка и внедрение гибких систем управления плодородием почвы и агроценозом в целом, обеспечивающих минимальный риск изменения экосистемы. Достоверная и надежная оценка антропогенного воздействия на агроэкосистемы возможна на основе результатов длительного агроэкологического мониторинга, который в соответствии с международной программой ЮНЕСКО "Человек и биосфера" определяется как система длительных наблюдений в пространстве и во времени, дающих информацию о сос- тоянии окружающей среды в прошлом, настоящем и прогнозе измене- ния параметров окружающей среды в будущем, имеющих значение для человека.

В этих целях необходимо использовать следующие методологические подходы, фундаментальные разработки и классические методы: Системный подход - наблюдения за изменениями природной среды с учетом всех внутренних и внешних вещественных и энергетичес- ких связей.

Функциональный подход - изучение функциональных (связей) зависимостей между компонентами биогеоценноза, экосистемы. Представляется возможность определенного ответа на вопрос "почему ?" происходят те или иные изменения, определить их скорость, а так- же приемы и способы регулирования обнаруженных изменений. Балансовый подход - учет всех статей прихода и расхода ве щества и энергии в наблюдаемой системе. БАЛАНС = ПРИХОД - РАСХОД Учет всех миграционных и трансформационных процессов на различных уровнях, начиная с микроперемещений и заканчивая наблюде- ниями за перемещением вещества и энергии на планетарном уровне.

Сравнительно-географический метод исследования выбранного объекта и его природного аналога с контролем на эталонном объекте в биосферном заповеднике. Статистические методы исследований - формирование, логический анализ и обобщение базы фактических экспериментальных данных, экспертная оценка и разработка систем управления и прогноза изменения отдельных блоков и агроэкосистемы в целом.

Вся совокупность исследований должна быть реализована по единой методике на одинаковых объектах и в одно и тоже время т.е. исследования не должны быть разобщены во времени и в пространстве.